JP5660533B2 - Current detector - Google Patents

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本発明は、電気化学分析、バイオセンサ、化学センサに用いられる電流検出装置に関する。特に、体液中の生理活性物質の測定、臨床検査、食品などの製造工程管理、水中の環境計測あるいは,CMOS集積回路、電気化学測定を行うセンサ回路に好適な電流検出装置に関する。   The present invention relates to an electric current detection apparatus used for electrochemical analysis, biosensor, and chemical sensor. In particular, the present invention relates to a current detection apparatus suitable for measurement of physiologically active substances in body fluids, clinical tests, manufacturing process management of foods, etc., environmental measurement in water, CMOS integrated circuits, and sensor circuits for performing electrochemical measurements.

従来、溶液中に溶解している原子、分子、イオンの検出や定量の方法として電気化学測定があり、電流検出、電位検出、インピーダンス測定などの手法がある。その中で、電気化学反応に伴う電流を検出する方法が広く使用され、分析化学、バイオセンサ、化学センサに用いられている。体液中の生理活性物質、臨床検査、廃液や食品中の重金属イオンなどの検出、体液、食品などの製造工程管理、水中の環境計測などに応用されている。   Conventionally, there is electrochemical measurement as a method for detecting and quantifying atoms, molecules, and ions dissolved in a solution, and there are methods such as current detection, potential detection, and impedance measurement. Among them, a method for detecting an electric current accompanying an electrochemical reaction is widely used and used for analytical chemistry, biosensors, and chemical sensors. It is applied to physiologically active substances in body fluids, clinical tests, detection of heavy metal ions in waste fluids and foods, production process management of body fluids and foods, and measurement of the environment in water.

電流検出型の電気化学測定は、測定対象物質の酸化還元反応を起こす作用電極、電位の基準となる参照電極、作用電極から流れた電流の捨て場となる対向電極の3種類の電極を用いる。参照電極は電位の基準となるため、電流を流さないようにする。作用電極で生じた電流は対向電極で処理されるが、対向電極の電位や対向電極上で生じている反応は問題としない。   In the current detection type electrochemical measurement, three types of electrodes are used: a working electrode that causes an oxidation-reduction reaction of a substance to be measured, a reference electrode that serves as a reference for potential, and a counter electrode that serves as a dumping place for current flowing from the working electrode. Since the reference electrode serves as a potential reference, no current is allowed to flow. The current generated at the working electrode is processed by the counter electrode, but the potential of the counter electrode and the reaction occurring on the counter electrode are not a problem.

このような3つの電極系の動作を実現する装置をポテンショスタットと呼ぶ。測定対象の水溶液中に浸漬した作用電極と参照電極の間に電圧を印加し、この電圧印加によって作用電極上で分析対象物質の酸化還元反応を発生させ、この反応に伴って流れる電流値を測定することにより分析を行う。   A device that realizes the operation of such three electrode systems is called a potentiostat. A voltage is applied between the working electrode immersed in the aqueous solution to be measured and the reference electrode, and this voltage application causes an oxidation-reduction reaction of the analyte on the working electrode, and the current value that flows with this reaction is measured. To do the analysis.

電流を測定する代表的な方法としては、アンペロメトリー、ボルタンメトリー、ストリッピングボルタンメトリー(ストリッピング法)あるいはパルスボルタンメトリーなどを挙げることができる。   Typical methods for measuring current include amperometry, voltammetry, stripping voltammetry (stripping method), pulse voltammetry, and the like.

アンペロメトリーでは参照電極の電位を基準にして、作用電極の電位を測定対象物質の酸化還元反応が起こる範囲に保持し、電流の時間変化を測定する手法である。特徴長さが数mm以上のマクロ電極では電流量が時間と共に減少していく。これは、平面上の拡散層が形成されるためである。   In amperometry, the potential of the working electrode is held in a range where the oxidation-reduction reaction of the substance to be measured occurs with reference to the potential of the reference electrode, and the time change of the current is measured. In a macro electrode having a characteristic length of several mm or more, the amount of current decreases with time. This is because a planar diffusion layer is formed.

ボルタンメトリーは、参照電極の電位を基準として被測定電解質溶液中に浸漬された作用電極に印加する電位を変化させて掃引し、このときの電流を測定する方法である。この方法では、測定した電流値から測定対象物質の濃度がわかる。さらに、電位を掃引したときの電流が流れ始める電位から物質の種類がわかるため、定量分析と定性分析を同時に行なうことができる。   Voltammetry is a method in which the potential applied to the working electrode immersed in the electrolyte solution to be measured is changed and swept while the current at this time is measured based on the potential of the reference electrode. In this method, the concentration of the substance to be measured can be determined from the measured current value. Furthermore, since the type of the substance is known from the potential at which the current starts flowing when the potential is swept, quantitative analysis and qualitative analysis can be performed simultaneously.

しかし、この方法では、電位を変化させて掃引を行なうため、電位掃引速度に比例して流れる充電電流や、分析対象の物質以外の共存種(溶存酸素、水素イオンなど)の電気化学反応や、電極表面自体の酸化状態の変化がノイズとなって発生するという欠点がある。   However, in this method, since the sweep is performed by changing the potential, the charging current flowing in proportion to the potential sweep rate, the electrochemical reaction of coexisting species (dissolved oxygen, hydrogen ions, etc.) other than the substance to be analyzed, There is a drawback that a change in the oxidation state of the electrode surface itself is generated as noise.

特徴長さが数十μm以下の電極を微小電極と呼ぶ。生体内の微小領域や、微量な溶液試料の分析を行うために微小電極が広く研究され、センサや生体細胞内の微量物質の測定などの応用が試みられている。   An electrode having a characteristic length of several tens of μm or less is called a microelectrode. Microelectrodes have been extensively studied for analyzing microregions in living bodies and small amounts of solution samples, and applications such as measurement of trace substances in sensors and living cells have been attempted.

微小電極の多くは、ガラス細管中に白金、金などの金属線、炭素繊維などを封入して使用する。この微小電極の応答挙動は電極形状に依存し、電極サイズが減少するに従って応答速度、S/N比が向上し、原理的には高感度化ができるため種々の電極形状や微細化が検討されている。   Most of the microelectrodes are used by enclosing a metal wire such as platinum or gold, carbon fiber or the like in a glass thin tube. The response behavior of this microelectrode depends on the electrode shape, and as the electrode size decreases, the response speed and S / N ratio improve. In principle, high sensitivity can be achieved, so various electrode shapes and miniaturization have been studied. ing.

しかし、電極がμmオーダーに微細化されることにより、検出できる電流値はnAオーダー以下に低下し、測定時に外部ノイズに敏感になる等の理由で測定が困難になる。このため、微小電極の数を増やして(アレイ化して)、微小電極の高電流密度、充電電流に対する高S/N比などの特徴を保持させたままで絶対電流値を増加させることが提案されている。   However, when the electrode is miniaturized to the order of μm, the current value that can be detected is reduced to the order of nA or less, and measurement becomes difficult because it becomes sensitive to external noise during measurement. For this reason, it is proposed to increase the absolute current value while maintaining the characteristics such as the high current density of the microelectrodes and the high S / N ratio with respect to the charging current by increasing the number of microelectrodes (arrayed). Yes.

絶縁体と導電体を交互に積層することで、微小電極アレイを作製する方法が報告されている(例えば、特許文献1及び特許文献3参照)。
また、微小電極のアンペロメトリーでは、静止溶液中でも定常電流が得られる。この定常電流から測定対象物質を定量することができる。定常電流が得られるのは、微小電極では球状の拡散層が形成され、あるところで拡散層の拡大が止まり、定常状態となるためである。
A method of manufacturing a microelectrode array by alternately laminating insulators and conductors has been reported (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 3).
In addition, in the amperometry of microelectrodes, a steady current can be obtained even in a static solution. The substance to be measured can be quantified from this steady current. The reason why the steady current is obtained is that a spherical diffusion layer is formed in the microelectrode, and the expansion of the diffusion layer stops at a certain point and a steady state is obtained.

電解質溶液中で2つの近接した作用電極に別々の電位を印加することで酸化還元種のレドックスサイクルが起こり、作用電極に流れる電流を増幅することができる(例えば、非特許文献1参照)。   By applying different potentials to two adjacent working electrodes in the electrolyte solution, a redox cycle of the redox species occurs, and the current flowing through the working electrode can be amplified (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、その2つの作用電極にかみ合ったくし形電極を用いれば、くし形電極の一方を掃引して他方の電極電位を保持した測定を行なうことができるため、充電電流の影響が少ない測定が可能となることも知られている。かみ合ったくし形電極を用いることによって、金属錯体などの定量分析における検出下限が向上することが知られている(例えば、非特許文献2参照)。   In addition, if a comb electrode that meshes with the two working electrodes is used, it is possible to perform measurement while sweeping one of the comb electrodes and holding the other electrode potential, and thus measurement with little influence of charging current is possible. It is also known that It is known that the lower detection limit in quantitative analysis of metal complexes and the like is improved by using interdigitated comb electrodes (see, for example, Non-Patent Document 2).

レドックスサイクルは近接する二つの電極を別々の電位に設定した場合に生じる現象であるが、電位制御する微小電極の近傍に大きな面積の導電体(マクロ電極)が配置されている場合、一つの電極の電位を制御するだけでレドックスサイクルを起こすことができ、自己誘発レドックスサイクルと呼ばれる(例えば、特許文献4参照)。   The redox cycle is a phenomenon that occurs when two adjacent electrodes are set to different potentials. When a conductor (macro electrode) with a large area is arranged in the vicinity of a microelectrode to be controlled for potential, one electrode is used. The redox cycle can be caused only by controlling the electric potential of this, which is called a self-induced redox cycle (see, for example, Patent Document 4).

ストリッピング法では、測定対象物質が電極上に析出する電位をかけ、電解して成分を電極上に濃縮した後、目的成分が溶解する電位に変化させて電流を測定する。自己誘発レドックスサイクルとストリッピング法を組み合わせ、濃度の可逆な酸化還元物質の定量が行われている(例えば、特許文献2参照)。   In the stripping method, a potential at which a substance to be measured is deposited on an electrode is applied, the component is electrolyzed and concentrated on the electrode, and then the current is measured by changing to a potential at which the target component is dissolved. A self-induced redox cycle and a stripping method are combined to determine a concentration of a reversible redox substance (see, for example, Patent Document 2).

アレイ状に配置した微小電極において、それぞれの電極で電流検出を行い、測定対象物質の濃度分布を可視化する試みがなされている(例えば、非特許文献4参照)。
そのための手法として、CMOS集積回路を用いたものがある。半導体チップ上にポテンショスタット等の電気化学測定を行う回路を組み込み、多チャンネルの電気化学測定を行う報告がなされている。参照電極と対向電極のみの系であれば、1つのオペアンプを用いることで実現できる。オペアンプの反転入力端子に参照電極を、出力端子に対向電極を接続することで溶液を通じてフィードバックがかかり、バーチャルショートより非反転入力端子に印加した電位に参照電極の電位が保持される。
Attempts have been made to visualize the concentration distribution of a substance to be measured by performing current detection on each of the microelectrodes arranged in an array (see, for example, Non-Patent Document 4).
For this purpose, there is a technique using a CMOS integrated circuit. It has been reported that a circuit for performing electrochemical measurement such as a potentiostat is incorporated on a semiconductor chip to perform multi-channel electrochemical measurement. If the system includes only the reference electrode and the counter electrode, it can be realized by using one operational amplifier. By connecting the reference electrode to the inverting input terminal of the operational amplifier and the counter electrode to the output terminal, feedback is applied through the solution, and the potential of the reference electrode is held at the potential applied to the non-inverting input terminal from the virtual short circuit.

さらに、標準CMOSプロセスに電極を形成するポストプロセスを組み合わせることにより、チップ上に電極を作成し、チップ上で電気化学測定を行うことも報告されている。
また、作用電極として、電極にスイッチをつけたセルをアレイ状に並べ、2次元的に電流分布をとる方法が報告されている(例えば、非特許文献3参照)。
Furthermore, it has been reported that an electrode is formed on a chip by combining a standard CMOS process with a post process for forming an electrode, and an electrochemical measurement is performed on the chip.
In addition, a method has been reported in which cells having switches attached to electrodes are arranged in an array as a working electrode to obtain a two-dimensional current distribution (see, for example, Non-Patent Document 3).

電流検出型の電気化学測定を行う回路に必要な特性として、電極の電位を保持しながら電流を測定できること、入力インピーダンスが低いことの2点が挙げられる。
既存の電流検出回路としてオペアンプと抵抗を用いたものがある。この回路はオペアンプのバーチャルショートで電極電位を保持し、抵抗を介して電流を電圧に変換して検出している。抵抗の代わりにキャパシタを用いて定期的に放電することで、ダイナミックレンジを大きくとることも考えられる。
The characteristics necessary for a circuit for performing a current detection type electrochemical measurement include two points: that the current can be measured while holding the potential of the electrode, and that the input impedance is low.
There is an existing current detection circuit using an operational amplifier and a resistor. This circuit holds an electrode potential by a virtual short circuit of an operational amplifier, and detects current by converting current into voltage through a resistor. It is conceivable to increase the dynamic range by periodically discharging a capacitor instead of a resistor.

特開2006−78404号公報JP 2006-78404 A 特開平6−27081号公報JP-A-6-27081 特開平5−281181号公報JP-A-5-281181 特開平3−238350号公報JP-A-3-238350

J. Electroanal. Chem., Preliminary note, 267, pp. 291, 1989J. et al. Electroanal. Chem. , Preliminary notes, 267, pp. 291 1989 Anal. Chem., 62, pp.447, 1990Anal. Chem. , 62, pp. 447, 1990 Sensors and Actuators A., 135, pp. 315, 2007Sensors and Actuators A.S. , 135, pp. 315, 2007 Biosensors & Bioelectronics., 15 pp. 523−529 2000Biosensors & Bioelectronics. , 15 pp. 523-529 2000

ところが、上記の微小電極での電流検出法では定常電流が観測されるまで数秒〜数十秒の時間がかかる。このため、複数の電極において、定常電流が観測されるのを待った後、一つ一つ順番に測定していくには非常に長い時間がかかってしまう。したがって、複数の電極の電流検出を高速に行うためには、すべての電極の電位を保持し、すべての電極で定常電流を流し続け、それを順番に読み出していく必要がある。しかし、1つの電流検出回路に、スイッチを介して、複数の電極を接続する回路では、電流検出回路と接続していない電極の電位を保持することができない。このため、複数の電極の電位を同時に保持し、定常電流を流し続けることができず、高速な測定が困難であるという問題がある。   However, in the current detection method using the microelectrode, it takes several seconds to several tens of seconds until a steady current is observed. For this reason, after waiting for a steady current to be observed in a plurality of electrodes, it takes a very long time to measure one by one in order. Therefore, in order to detect the currents of a plurality of electrodes at high speed, it is necessary to hold the potentials of all the electrodes, keep a steady current flowing through all the electrodes, and sequentially read them. However, a circuit in which a plurality of electrodes are connected to one current detection circuit via a switch cannot hold the potential of an electrode that is not connected to the current detection circuit. For this reason, there is a problem that it is difficult to keep the potentials of a plurality of electrodes at the same time and keep a steady current from flowing, and to perform high-speed measurement.

さらに、高密度に集積した微小電極において電流検出を同時に行うと、各電極の拡散層が重なり合ってしまう。これにより、近接する電極間で反応物を取り合ってしまい、局所的な測定が困難になる。そして、複数の電流検出セル(S11〜S33)全体で、平板の電極と同様に平面状の拡散層が形成され、線形拡散になる。結果、時間と共に電流量が減少していき、定常電流が観測されない。これにより、反応物の定量が困難になるという問題がある。 Furthermore, if current detection is simultaneously performed on microelectrodes integrated at high density, the diffusion layers of the electrodes overlap. As a result, reactants are held between adjacent electrodes, and local measurement becomes difficult. Then, a planar diffusion layer is formed over the plurality of current detection cells (S 11 to S 33 ) in the same manner as the flat electrode, and linear diffusion is performed. As a result, the amount of current decreases with time, and no steady current is observed. Thereby, there exists a problem that fixed_quantity | quantitative_assay of a reactant becomes difficult.

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、高密度に集積した微小電極において電流検出を同時行っても、各電極の拡散層が重なり合わず、高速かつ正確な電流検出を可能とする電流検出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and even when current detection is simultaneously performed on highly integrated microelectrodes, the diffusion layers of the electrodes do not overlap and current that enables high-speed and accurate current detection is achieved. An object is to provide a detection device.

かかる問題を解決するためになされた請求項1に記載の発明は、半導体基板上に複数設けられ、作用電極(W11〜W33)及び作用電極(W11〜W33)の周囲を囲むとともに、作用電極(W11〜W33)とは逆の酸化還元反応が起こるように所定の電位に保持された、補助電極(a11〜a33)を有する電流検出セル(S11〜S33)と、作用電極(W11〜W33に接続され、作用電極(W 11 〜W 33 )から出力される電流を検出し、作用電極(W 11 〜W 33 )を所定の電位となるように制御する電流検出手段(80)と、作用電極(W11〜W33に接続され、作用電極(W 11 〜W 33 )を所定の電位に保持する電位保持手段(86)と、電流検出手段(80)と複数の電流検出セル(S11〜S33)の各作用電極(W11〜W33)との間に接続された第1スイッチ(Sa11〜Sa33)と、電位保持手段(86)と複数の電流検出セル(S11〜S33)の各作用電極(W11〜W33)との間に接続された第2スイッチ(Sb11〜Sb33)と、各第1スイッチ(Sa11〜Sa33)のうちいずれか1つをオンにし、該オンにした第1スイッチ(Sa11〜Sa33)以外をオフにすると共に、各第2スイッチ(Sb11〜Sb33)のうち、オンにした第1スイッチ(Sa11〜Sa33)に接続されている作用電極(W11〜W33)に接続されている第2スイッチ(Sb11〜Sb33)をオフとし、それ以外の第2スイッチ(Sb11〜Sb33)をオンとする切換作動を、すべての第1スイッチ(Sa11〜Sa33)及び第2スイッチ(Sb11〜Sb33)に対して順次実行する制御手段(74)と、を備えたことを特徴とする電流検出装置(70)である。 The invention according to claim 1, which has been made to solve such a problem, is provided in a plurality on a semiconductor substrate and surrounds the periphery of the working electrode (W 11 to W 33 ) and the working electrode (W 11 to W 33 ). , Current detection cells (S 11 to S 33 ) having auxiliary electrodes (a 11 to a 33 ) held at a predetermined potential so that a redox reaction opposite to that of the working electrodes (W 11 to W 33 ) occurs. When connected to the working electrode (W 11 ~W 33), it detects a current outputted from the working electrode (W 11 ~W 33), as a working electrode (W 11 ~W 33) becomes a predetermined potential a control current-detecting means (80), is connected to the working electrode (W 11 to W-33), the potential holding means for holding a working electrode (W 11 to W-33) to a predetermined potential and (86), current detecting means (80) and a plurality of current detection cells A first switch (Sa 11 to Sa 33 ) connected between the working electrodes (W 11 to W 33 ) of (S 11 to S 33 ), a potential holding means (86), and a plurality of current detection cells ( Any of the second switches (Sb 11 to Sb 33 ) connected between the working electrodes (W 11 to W 33 ) of S 11 to S 33 , and the first switches (Sa 11 to Sa 33 ) or one was turned on, while turning off the other first switch to the oN (Sa 11 -SA 33), among the second switch (Sb 11 ~Sb 33), a first switch (Sa you check 11 to Sa 33 ), the second switches (Sb 11 to Sb 33 ) connected to the working electrodes (W 11 to W 33 ) connected to the other switches (Sb 11 to Sb 33 ) are turned off, and the other second switches (Sb 11 to Sb 33). ) The switching operation, all the first switch (Sa 11 -SA 33) and a second switch (Sb 11 to SB 33) sequentially executes control means and (74), current and further comprising a detection for Device (70).

このような電流検出装置(70)によれば、作用電極(W11〜W33)の電位を常に所定の電位に保持し電流が流れる状態に保ったまま、複数の作用電極(W11〜W33)の電流を順次切り替えて検出するので、複数の電極の電位を同時に保持し、定常電流を流し続けることができ、高速な電流検出が可能になる。 According to the current detecting device (70), while maintaining the state always current flows held to a predetermined potential the potential of the working electrode (W 11 to W-33), a plurality of working electrodes (W 11 to W- 33 ) Since the currents are detected by sequentially switching, the potentials of a plurality of electrodes can be held simultaneously, and a steady current can be kept flowing, so that high-speed current detection becomes possible.

作用電極(W11〜W33)の周囲を補助電極(a11〜a33)が囲み、作用電極(W11〜W33)とは逆の酸化還元反応が起こるように補助電極(a11〜a33)の電位を所定の電位に保持しているため、高密度に集積した微小電極において電流検出を同時に行っても、各電極の拡散層が重なり合わない。 Surrounds the periphery of the auxiliary electrode of the working electrode (W 11 ~W 33) (a 11 ~a 33), the working electrode (W 11 ~W 33) and the auxiliary electrode as the opposite redox reaction occurs (a 11 ~ Since the potential of a 33 ) is maintained at a predetermined potential, the diffusion layers of the electrodes do not overlap even when current detection is simultaneously performed on the microelectrodes integrated with high density.

したがって、近接する電極間で反応物を取り合うことがなく、局所的な電流検出が可能になる。そして、複数の電流検出セル(S11〜S33)全体で、平板の電極と同様に平面状の拡散層が形成されず、線形拡散とならない。結果、時間と共に電流量が減少することがないので、定常電流を観測することができる。これにより、反応物の正確な定量が可能になる。
請求項2に記載の電流検出装置(70)は、請求項1に記載の電流検出装置(70)において、電流検出手段(80)は、反転端子(81)及び非反転入力端子(83)を有する増幅器(82)を有し、反転端子(81)は、第1スイッチ(Sa 11 〜Sa 33 )を介して、作用電極(W 11 〜W 33 )に接続され、非反転端子(83)は、第2スイッチ(Sb 11 〜Sb 33 )を介して作用電極(W 11 〜W 33 )に接続されていることを特徴とする。
このような電流検出装置(70)によれば、反転端子(81)と非反転端子(83)とを有する増幅器(82)を用いて電流検出装置(70)を容易に構成することができる。
Therefore, reactants are not exchanged between adjacent electrodes, and local current detection is possible. Then, in the whole of the plurality of current detection cells (S 11 to S 33 ), a planar diffusion layer is not formed as in the case of the flat electrode, and linear diffusion is not performed. As a result, since the amount of current does not decrease with time, a steady current can be observed. This allows accurate quantification of the reactants.
The current detection device (70) according to claim 2 is the current detection device (70) according to claim 1, wherein the current detection means (80) includes an inverting terminal (81) and a non-inverting input terminal (83). an amplifier (82) having the inverting terminal (81) via a first switch (Sa 11 -SA 33), is connected to the working electrode (W 11 to W-33), the non-inverting terminal (83) , characterized in that it is connected to the working electrode through a second switch (Sb 11 ~Sb 33) (W 11 ~W 33).
According to such a current detection device (70), the current detection device (70) can be easily configured using the amplifier (82) having the inverting terminal (81) and the non-inverting terminal (83).

請求項に記載の電流検出装置(70)は、請求項1又は請求項2に記載の電流検出装置(70)において、作用電極(W11〜W33)に接続される入力端子と、第1スイッチ(Sa11〜Sa33)及び第2スイッチ(Sb11〜Sb33)に接続される出力端子と、を有し、入力端子に入力される作用電極(W11〜W33)の出力電流を保持しつつ、作用電極(W11〜W33)の電位を所定の電位に保持する電流バッファ回路(b11〜b33)を電流検出セル(S11〜S33)内に備えたことを特徴とする。 Current detecting apparatus according to claim 3 (70), in the current detector according to claim 1 or claim 2 (70), an input terminal connected to the working electrode (W 11 to W-33), the It has an output terminal connected to the first switch (Sa 11 ~Sa 33) and a second switch (Sb 11 ~Sb 33), the output current of the working electrode that is input to the input terminal (W 11 ~W 33) A current buffer circuit (b 11 to b 33 ) in the current detection cell (S 11 to S 33 ) that holds the potential of the working electrode (W 11 to W 33 ) at a predetermined potential. Features.

このような電流検出装置(70)によれば、電流バッファ回路(b11〜b33)が入力端子に接続した作用電極(W11〜W33)の電流を複製して出力するため、スイッチの切り替えによる電極電位の変動を抑えることができる。 According to the current detecting device (70), for outputting to duplicate the current of the working electrode current buffer circuit (b 11 ~b 33) is connected to the input terminal (W 11 to W-33), the switch Variation in electrode potential due to switching can be suppressed.

請求項に記載の電流検出装置(70)は、請求項に記載の電流検出装置(70)において、電流バッファ回路(b11〜b33)は、作用電極(W11〜W33)の電流を複製するカレントミラー回路と作用電極(W11〜W33)の電流を所定の電位に保持するソースフォロワ回路と、を備えたことを特徴とする。 Current detecting device according to claim 4 (70), in the current detecting apparatus according to claim 3 (70), a current buffer circuit (b 11 ~b 33) is the working electrode (W 11 to W-33) A current mirror circuit for replicating the current and a source follower circuit for holding the current of the working electrodes (W 11 to W 33 ) at a predetermined potential are provided.

このような電流検出装置(70)によれば、電流検出セル内に消費電力が大きく、占有面積の大きいオペアンプを用いることなく、電流バッファ回路(b11〜b33)を実現できるため、消費電力を低く、占有面積を小さくすることができる。 According to the current detecting device (70), a large power consumption in the current sensing cell, without using a large op occupied area, because it can realize the current buffer circuit (b 11 ~b 33), power consumption And the occupation area can be reduced.

請求項に記載の電流検出装置(70)は、請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の電流検出装置(70)において、補助電極(a11〜a33)の幅は作用電極(W11〜W33)の幅の1/2以上であることを特徴とする。 Current detecting device according to claim 5 (70), in the current detecting device according to any one of claims 1 to 4 (70), the width of the auxiliary electrode (a 11 ~a 33) is acting It is characterized by being 1/2 or more of the width of the electrodes (W 11 to W 33 ).

このような電流検出装置(70)によれば、作用電極(W11〜W33)で生じる生成物を補助電極(a11〜a33)で十分に処理できるため、拡散層が作用電極(W11〜W33)近傍に留まり、各電極の拡散層が重なり合わない。したがって、反応物の定量をより正確なものとすることができる。 According to the current detecting device (70), it is possible to sufficiently handle the product produced at the working electrode (W 11 to W-33) with the auxiliary electrode (a 11 ~a 33), the diffusion layer is the working electrode (W 11 to W 33 ), and the diffusion layers of the electrodes do not overlap. Therefore, the quantitative determination of the reactant can be made more accurate.

請求項に記載の電流検出装置(70)は、請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の電流検出装置(70)において、作用電極(W11〜W33)と補助電極(a11〜a33)の間隔は、測定対象物質の拡散距離よりも小さいことを特徴とする。 Current detecting device according to claim 6 (70), in the current detecting device according to any one of claims 1 to 5 (70), the working electrode (W 11 to W-33) and the auxiliary electrode ( spacing a 11 ~a 33) is characterized by less than the diffusion length of the analyte.

作用電極(W11〜W33)と補助電極(a11〜a33)の間隔が測定対象物質の拡散距離よりも十分に小さければ、レドックスサイクルが効率よく起こるため、作用電極(W11〜W33)の電流が増幅される。したがって、ノイズに影響されないため、反応物の定量をより正確なものとすることができる。 If the distance between the working electrode (W 11 to W 33 ) and the auxiliary electrode (a 11 to a 33 ) is sufficiently smaller than the diffusion distance of the substance to be measured, the redox cycle occurs efficiently, so the working electrode (W 11 to W 33 33 ) current is amplified. Therefore, since it is not influenced by noise, the quantification of the reactant can be made more accurate.

請求項に記載の電流検出装置(70)は、請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の電流検出装置(70)において、作用電極(W11〜W33)と補助電極(a11〜a33)の間に電極面から測定対象物質の拡散距離以上の高さを持ったものがないことを特徴とする。 Current detecting device according to claim 7 (70), in the current detecting device according to any one of claims 1 to 6 (70), the working electrode (W 11 to W-33) and the auxiliary electrode ( a 11 to a 33 ) are characterized in that there is no material having a height greater than the diffusion distance of the substance to be measured from the electrode surface.

作用電極(W11〜W33)と補助電極(a11〜a33)の間に電極面から測定対象物質の拡散距離以上の高さの段差が存在しなければ、作用電極(W11〜W33)で生じた生成物を補助電極(a11〜a33)で十分に処理できるため、拡散層が作用電極(W11〜W33)近傍に留まり、各電極の拡散層が重なり合わない。したがって、反応物の定量をより正確なものとすることができる。 If there is a step of diffusion distance over the height of the analyte from the electrode surface during the working electrode (W 11 ~W 33) and the auxiliary electrode (a 11 ~a 33), the working electrode (W 11 to W- because the products produced in 33) can be sufficiently processed by the auxiliary electrode (a 11 ~a 33), the diffusion layer is the working electrode (W 11 to W-33) remains in the vicinity of, not overlapping the diffusion layer of each electrode. Therefore, the quantitative determination of the reactant can be made more accurate.

第1実施形態における電流検出システムの構成図である。It is a lineblock diagram of the current detection system in a 1st embodiment. 半導体集積回路チップにおける電極構造を示す図である。It is a figure which shows the electrode structure in a semiconductor integrated circuit chip. 半導体集積回路チップの断面図である。It is sectional drawing of a semiconductor integrated circuit chip. 第1実施形態における電流読み出し回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a current read circuit in the first embodiment. 電流検出装置の効果をシミュレーションで確認する場合の電極構造の概念図である。It is a conceptual diagram of the electrode structure in the case of confirming the effect of a current detection apparatus by simulation. 電流検出時における反応物の濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the density | concentration distribution of the reaction material at the time of an electric current detection. 電極電流の時間変化のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the time change of electrode current. シミュレーションにおいて、電極サイズと電流増幅率の関係を示す図である。In simulation, it is a figure which shows the relationship between an electrode size and a current gain. シミュレーションにおいて、電極サイズと電流増幅率の関係を示す図である。In simulation, it is a figure which shows the relationship between an electrode size and a current gain. 電極構造の断面図とレドックスサイクルの概念図である。It is sectional drawing of an electrode structure, and the conceptual diagram of a redox cycle. 第2実施形態における電流読み出し回路の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a current readout circuit in a second embodiment. 電流バッファ回路の回路図である。It is a circuit diagram of a current buffer circuit. オペアンプとスイッチとキャパシタを用いた増幅器の図である。It is a figure of the amplifier using an operational amplifier, a switch, and a capacitor. 電極構造の変形例を占めず図である。It is a figure without occupying the modification of an electrode structure. 作用電極と補助電極の間に段差があるときの概念図である。It is a conceptual diagram when there is a level | step difference between a working electrode and an auxiliary electrode.

[第1実施形態]
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
[First Embodiment]
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The embodiment of the present invention is not limited to the following embodiment, and can take various forms as long as they belong to the technical scope of the present invention.

図1は、本発明が適用された電流検出システム1の概略の構成を示すブロック図である。電流検出システム1は、図1に示すように、溶液セル10、参照電極20、対向電極30、オペアンプ40、電圧源50、パーソナルコンピュータ60及び電流検出装置70を備えている。   FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a current detection system 1 to which the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the current detection system 1 includes a solution cell 10, a reference electrode 20, a counter electrode 30, an operational amplifier 40, a voltage source 50, a personal computer 60, and a current detection device 70.

溶液セル10は、アクリルで作製されており、参照電極20、対向電極30を挿入することができる溶液槽となっており、測定溶液12を入れて電流測定を行う。ここで、測定溶液12には支持電解質と酸化還元反応を起こす測定対象物質とが溶解している。   The solution cell 10 is made of acrylic and serves as a solution tank into which the reference electrode 20 and the counter electrode 30 can be inserted. Here, the measurement electrolyte 12 dissolves the supporting electrolyte and the substance to be measured that causes an oxidation-reduction reaction.

参照電極20は、溶液セル10中の測定溶液に浸された状態で用いられ、測定溶液の電流測定の際の電位の基準となる電極であり、銀/塩化銀を素材として形成されている。
対向電極30は、参照電極20と同様に、溶液セル10中の測定溶液に浸された状態で用いられ、後述する電流検出装置70の作用電極W11〜W33から流れた電流の循環経路となる電極であり、白金を素材として形成されている。
The reference electrode 20 is used in a state immersed in the measurement solution in the solution cell 10 and is an electrode serving as a reference for the potential when the current of the measurement solution is measured, and is made of silver / silver chloride as a material.
The counter electrode 30 is used in a state of being immersed in the measurement solution in the solution cell 10, similarly to the reference electrode 20, and the circulation path of the current flowing from the working electrodes W 11 to W 33 of the current detection device 70 described later. The electrode is made of platinum.

オペアンプ40は、非反転入力端子42、反転入力端子44及び出力端子46を有しており、非反転入力端子42には、電圧源50の出力が接続され、反転入力端子44には、参照電極20が接続されている。また、出力端子46には、対向電極30が接続されている。   The operational amplifier 40 has a non-inverting input terminal 42, an inverting input terminal 44, and an output terminal 46. The non-inverting input terminal 42 is connected to the output of the voltage source 50, and the inverting input terminal 44 has a reference electrode. 20 is connected. The counter electrode 30 is connected to the output terminal 46.

このような構成により、オペアンプ40は、バーチャルショートにより、参照電極20の電位は、非反転入力端子42に電圧源50から印加される電位と等しくなり、その値に保持されるとともに、対向電極30に作動電極からの電流を流すことができるようになっている。   With this configuration, the operational amplifier 40 has the potential of the reference electrode 20 equal to the potential applied from the voltage source 50 to the non-inverting input terminal 42 due to the virtual short circuit, and is held at that value. The electric current from the working electrode can be passed through.

電圧源50は、出力電圧の値を調整できる定電圧源であり、参照電極20に接続され、参照電極20に一定電圧を印加する。
パーソナルコンピュータ60は、図示しないA/Dコンバータ及び表示画面を備えており、A/Dコンバータには、電流検出装置70の出力側が接続されている。そして、A/Dコンバータで電流検出装置70の出力をデジタル信号に変換し、変換した結果を画面に表示する。
The voltage source 50 is a constant voltage source that can adjust the value of the output voltage, is connected to the reference electrode 20, and applies a constant voltage to the reference electrode 20.
The personal computer 60 includes an A / D converter and a display screen (not shown), and the output side of the current detection device 70 is connected to the A / D converter. Then, the output of the current detection device 70 is converted into a digital signal by the A / D converter, and the converted result is displayed on the screen.

電流検出装置70は、測定対象である測定溶液からの電流を検出する装置であり、半導体集積回路チップ72とマイクロコントロールユニット74とを備えている。
ここで、半導体集積回路チップ72の詳細について図2及び図3に基づき説明する。図2は、半導体集積回路チップ72における電極構造を示す図であり、図3は、半導体集積回路チップ72の断面図である。
The current detection device 70 is a device that detects a current from a measurement solution that is a measurement target, and includes a semiconductor integrated circuit chip 72 and a micro control unit 74.
Here, details of the semiconductor integrated circuit chip 72 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing an electrode structure in the semiconductor integrated circuit chip 72, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor integrated circuit chip 72.

半導体集積回路チップ72には、図2に示すように、半導体基板上に、マトリックス状に複数の電流検出セル(S11〜S33)が設けられている。
各電流検出セル(S11〜S33)は、図2に示すように、略正方形に形成された作用電極W11〜W33及び作用電極W11〜W33の周囲を囲む補助電極a11〜a33を有している。
As shown in FIG. 2, the semiconductor integrated circuit chip 72 is provided with a plurality of current detection cells (S 11 to S 33 ) in a matrix on a semiconductor substrate.
As shown in FIG. 2, each of the current detection cells (S 11 to S 33 ) includes working electrodes W 11 to W 33 formed in a substantially square shape and auxiliary electrodes a 11 to W 11 surrounding the working electrodes W 11 to W 33. It has a 33.

半導体集積回路チップ72の各電極は、図3に示すようにCMOSチップの最上層の金属配線層76をチップ表面に露出させることで作成する。
そして、電極と後述する読み出し回路とは、1.2μm標準CMOSプロセスで作製する。6インチウエハを作製し、チップごとにダイシングする。その後、チップ表面に露出したアルミニウム配線層の上にチタンと金を蒸着し、電極を形成する。
Each electrode of the semiconductor integrated circuit chip 72 is formed by exposing the uppermost metal wiring layer 76 of the CMOS chip to the chip surface as shown in FIG.
The electrodes and the readout circuit described later are produced by a 1.2 μm standard CMOS process. A 6-inch wafer is produced and diced for each chip. Thereafter, titanium and gold are deposited on the aluminum wiring layer exposed on the chip surface to form electrodes.

チタンは金を密着させるため、アルミニウムの上に蒸着する。そして、エッチングにより電極パターン形成を行う。また、段差部でアルミニウム配線層が露出しないように保護膜78を形成しパターニングする。   Titanium is deposited on aluminum in order to adhere gold. Then, an electrode pattern is formed by etching. Further, a protective film 78 is formed and patterned so that the aluminum wiring layer is not exposed at the stepped portion.

電極(作用電極W11〜W33及び補助電極a11〜a33)形成プロセスの手順を以下の(1)〜(6)に示す。
(1)チップの洗浄
はじめにチップ表面に付着している有機物や油脂等による汚れを除去するためにアセトン、イソプロピルアルコール(IPA)、超純水(比抵抗>18.2MOhm)を用いた洗浄を行う。アセトンを用いてチップを1分間超音波洗浄する。
The following (1) to (6) show the procedure for forming electrodes (working electrodes W 11 to W 33 and auxiliary electrodes a 11 to a 33 ).
(1) Chip cleaning First, cleaning with acetone, isopropyl alcohol (IPA), or ultrapure water (resistivity> 18.2 MOhm) is performed to remove stains due to organic substances and oils and fats adhering to the chip surface. . The chip is ultrasonically cleaned with acetone for 1 minute.

チップ表面に付着したアセトンを除去するため、IPAを用いて1分間超音波洗浄を行う。チップ表面に付着したIPAを除去するため、超純水を用いて1分間超音波洗浄を行う。洗浄後、チップを120℃で30分間ベークし、水分を除去する。
(2)拡張ゲート用金属の蒸着
電極としてチタン(Ti)を20nm、金(Au)を50nmをチップ上に蒸着する。装置は抵抗加熱式真空蒸着装置を用いた。蒸着中の真空度は5×10-3Pa以下とする。蒸着レートは2A/sec程度になるように調節する。蒸着したTiは、空気に触れると酸化チタンが生じてしまうため、Tiを蒸着した後、空気に触れないようにAuを蒸着する必要がある。
(3)オプティカルフォトリソグラフィ
スピンコーターによりAu/Tiが積層されたチップ表面にレジスト(OFPR−800LB)を回転塗布する。レジストのスピンコートは500rpmで5秒、4500rpmで30秒の条件で行う。
In order to remove acetone adhering to the chip surface, ultrasonic cleaning is performed using IPA for 1 minute. In order to remove IPA adhering to the chip surface, ultrasonic cleaning is performed for 1 minute using ultrapure water. After washing, the chip is baked at 120 ° C. for 30 minutes to remove moisture.
(2) Vapor deposition of metal for expansion gate Titanium (Ti) 20 nm and gold (Au) 50 nm are vapor-deposited on the chip as electrodes. The apparatus used was a resistance heating vacuum deposition apparatus. The degree of vacuum during vapor deposition is 5 × 10 −3 Pa or less. The deposition rate is adjusted to be about 2 A / sec. Since the deposited Ti generates titanium oxide when it is exposed to air, it is necessary to deposit Au so as not to touch the air after the Ti is deposited.
(3) Optical photolithography A resist (OFPR-800LB) is spin-coated on the surface of the chip on which Au / Ti is laminated by a spin coater. The resist is spin-coated at 500 rpm for 5 seconds and at 4500 rpm for 30 seconds.

その後、ホットプレートにより90℃で1分間プリベークを行う。続いてマスクアライメント装置を用いて紫外線により7秒の露光を行い、マスクパターンをチップに転写し、現像液(NMD−3)で現像を行う。   Thereafter, pre-baking is performed at 90 ° C. for 1 minute using a hot plate. Subsequently, exposure is performed for 7 seconds with ultraviolet rays using a mask alignment apparatus, the mask pattern is transferred to a chip, and development is performed with a developer (NMD-3).

OFPR−800LB はポジ型レジストであり、紫外線が照射された箇所のレジストの化学構造が変化し、アルカリ溶液に溶解する。現像では現像液に50 秒浸し、速やかに別のビーカーに用意した新しい現像液に10秒浸して行う。   OFPR-800LB is a positive resist, and the chemical structure of the resist at the location irradiated with ultraviolet rays changes and dissolves in an alkaline solution. The development is performed by immersing in a developer for 50 seconds, and immediately immersing in a new developer prepared in another beaker for 10 seconds.

二回にわけて現像を行うのは、一度目の現像で現像液に溶解しているレジストがチップ表面に残るのを防止するためである。
その後、超純水で60秒のリンスを2度行ったのち、120℃で30分間ポストベークを行う。
The development is performed twice in order to prevent the resist dissolved in the developer from remaining on the chip surface by the first development.
Then, after rinsing twice for 60 seconds with ultrapure water, post-baking is performed at 120 ° C. for 30 minutes.

なお、電極パターンは、作用電極W11〜W33が25μm角の正方形、補助電極a11〜a33との間隔は5μm、補助電極a11〜a33の幅は25μmである。また、作用電極W11〜W33は170μm周期で配列されている。
(4) Au/Tiエッチング
(3)で作製されたレジストによるマスクパターン通りの電極を形成するために、レジストで覆われていない部分の金属をエッチングする。Auのエッチングを行うため、AURUM−301を用いて30℃で2分間浸す。
The electrode pattern is, the working electrode W 11 to W-33 is 25 [mu] m square square distance between the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is 5 [mu] m, the width of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is 25 [mu] m. Further, the working electrode W 11 to W-33 are arranged in 170μm period.
(4) Au / Ti etching In order to form an electrode according to the mask pattern using the resist produced in (3), a portion of the metal not covered with the resist is etched. In order to perform etching of Au, immersion is performed at 30 ° C. for 2 minutes using AURUM-301.

その後、30秒間の超純水によるリンスを二度行い、窒素ブローにより余分な水分を飛ばす。続いてアンモニア水を加えてpH8.0に調整したWLC−Tを用いて30℃で2分間浸しTiのエッチングを行う。その後、Auのエッチングと同様に30秒間の超純水によるリンスを二度と窒素ブローを行う。
(5) レジストの除去
最後に、レジストの除去を行う。手順はチップをアセトンに一時間以上浸し、レジストを溶解させる。この時、形成した電極が剥がれる可能性があるため、(1)の作業とは異なり、超音波洗浄は避ける。
Thereafter, rinsing with ultrapure water for 30 seconds is performed twice, and excess water is blown off by nitrogen blowing. Subsequently, using WLC-T adjusted to pH 8.0 by adding aqueous ammonia, Ti is etched by immersion at 30 ° C. for 2 minutes. Thereafter, similarly to the etching of Au, rinsing with ultrapure water for 30 seconds is performed again with nitrogen blowing.
(5) Removal of resist Finally, the resist is removed. The procedure is to immerse the chip in acetone for 1 hour or more to dissolve the resist. At this time, since the formed electrode may be peeled off, the ultrasonic cleaning is avoided unlike the operation (1).

続いて、超音波洗浄を用いずにIPA、超純水にそれぞれ1分間浸し洗浄する。そして窒素ブロー後に、120℃で30分間ベークし余分な水分を蒸発させる。
(6)保護膜78の形成
スピンコーターによりAu/Ti電極がパターニングされたチップ表面に保護膜78として使用するレジスト(SU−8 3005)を回転塗布する。レジストのスピンコートは500rpmで5秒、5500rpmで30秒の条件で行う。
Subsequently, it is cleaned by immersing it in IPA and ultrapure water for 1 minute without using ultrasonic cleaning. After nitrogen blowing, the excess water is evaporated by baking at 120 ° C. for 30 minutes.
(6) Formation of Protective Film 78 A resist (SU-8 3005) used as the protective film 78 is spin-coated on the surface of the chip on which the Au / Ti electrode is patterned by a spin coater. The resist is spin-coated at 500 rpm for 5 seconds and at 5500 rpm for 30 seconds.

その後、ホットプレートにより95℃で3分間プリベークを行う。続いてマスクアライメント装置を用いて紫外線により20秒の露光を行い、マスクパターンをチップに転写し、現像液(SU−8 Developer)で現像を行う。   Thereafter, pre-baking is performed at 95 ° C. for 3 minutes using a hot plate. Subsequently, exposure is carried out with ultraviolet rays for 20 seconds using a mask alignment apparatus, the mask pattern is transferred to the chip, and development is performed with a developer (SU-8 Developer).

SU−8 3005はネガ型レジストであり、紫外線が照射された箇所で架橋構造を形成し、硬化する。現像では現像液に5分浸した後、別のビーカーに用意した新しい現像液に10秒浸して行う。   SU-8 3005 is a negative resist, which forms a cross-linked structure at a position irradiated with ultraviolet rays and cures. The development is performed by immersing in a developer for 5 minutes and then immersing in a new developer prepared in another beaker for 10 seconds.

二回にわけて現像を行うのは、一度目の現像で現像液に溶解しているレジストがチップ表面に残るのを防止するためである。
その後、IPAで10秒のリンスを行ったのち、200℃で2分間ポストベークを行う。
The development is performed twice in order to prevent the resist dissolved in the developer from remaining on the chip surface by the first development.
Then, after rinsing with IPA for 10 seconds, post-baking is performed at 200 ° C. for 2 minutes.

作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33、保護膜78をパターニングしたチップの断面図を図2に示す。
電極パターンと保護膜78が形成されたチップをパッケージに保持、パッドへのワイヤボンディングを施す。さらに、配線部分が溶液に浸されるのを防止するためチップ直上にシリコン樹脂の枠を載せ、その外部をシリコン樹脂で埋める。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a chip on which the working electrodes W 11 to W 33 , the auxiliary electrodes a 11 to a 33 , and the protective film 78 are patterned.
The chip on which the electrode pattern and the protective film 78 are formed is held in a package, and wire bonding to the pads is performed. Further, in order to prevent the wiring portion from being immersed in the solution, a frame of silicon resin is placed immediately above the chip, and the outside is filled with the silicon resin.

上記(1)〜(6)の手順により、図3に示すように、作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の形状に最上層の金属配線層76を露出させる。
またシリコン樹脂で封入された半導体集積回路チップ72上に溶液セル10を載せる(図1参照)。
As shown in FIG. 3, the uppermost metal wiring layer 76 is exposed in the shapes of the working electrodes W 11 to W 33 and the auxiliary electrodes a 11 to a 33 by the procedures (1) to (6).
Further, the solution cell 10 is placed on the semiconductor integrated circuit chip 72 sealed with silicon resin (see FIG. 1).

(回路構成の説明)
次に、作用電極W11〜W33から検出電流を読み出すための回路の構成について、図4に基づいて説明する。図4は、電流読み出し回路の回路図である。
(Description of circuit configuration)
Next, the configuration of a circuit for reading the detected current from the working electrodes W 11 to W 33 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a circuit diagram of the current readout circuit.

読み出し回路は、増幅器80、保持回路、第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33を備えている。
増幅器80は、作用電極W11〜W33から電流を検出する増幅器であり、図4に示すように、オペアンプ82と抵抗84を有している。また、保持回路は、作用電極W11〜W33を所定の電位に保持する回路であり、電源端子86に接続された図示しない電圧源から入力される所定の電圧を供給するための配線である。
Readout circuit includes an amplifier 80, the holding circuit, the first switch Sa 11 -SA 33 and the second switch Sb 11 ~Sb 33.
The amplifier 80 is an amplifier that detects current from the working electrodes W 11 to W 33 , and includes an operational amplifier 82 and a resistor 84 as shown in FIG. The holding circuit is a circuit that holds the working electrodes W 11 to W 33 at a predetermined potential, and is a wiring for supplying a predetermined voltage input from a voltage source (not shown) connected to the power supply terminal 86. .

ここで、電源端子86に印加される電圧は、測定対象物質の酸化還元反応が起こる範囲の値の電圧である。
第1スイッチSa11〜Sa33は、増幅器80のオペアンプ82の反転入力端子81と複数の電流検出セルS11〜S33の各作用電極W11〜W33との間に設けられたスイッチであり、マイクロコントロールユニット74からの開閉指令信号により開(オフ)/閉(オン)する。
Here, the voltage applied to the power supply terminal 86 is a voltage having a value in a range where the oxidation-reduction reaction of the measurement target substance occurs.
The first switches Sa 11 to Sa 33 are switches provided between the inverting input terminal 81 of the operational amplifier 82 of the amplifier 80 and the working electrodes W 11 to W 33 of the plurality of current detection cells S 11 to S 33 . Then, it is opened (off) / closed (on) by an open / close command signal from the micro control unit 74.

第1スイッチSa11〜Sa33は、電流検出セルS11〜S33内に半導体スイッチとして設けられている。
第2スイッチSb11〜Sb33は、電位保持回路と複数の電流検出セルS11〜S33の各作用電極W11〜W33との間に設けられたスイッチであり、マイクロコントロールユニット74からの開閉指令信号により開(オフ)/閉(オン)する。
The first switches Sa 11 to Sa 33 are provided as semiconductor switches in the current detection cells S 11 to S 33 .
The second switches Sb 11 to Sb 33 are switches provided between the potential holding circuit and the working electrodes W 11 to W 33 of the plurality of current detection cells S 11 to S 33 . Open (off) / close (on) by open / close command signal.

第2スイッチSb11〜Sb33も、第1スイッチSa11〜Sa33と同様に、電流検出セルS11〜S33内に半導体スイッチとして設けられている。
(マイクロコントロールユニット74の作動)
マイクロコントロールユニット74は、図示しないCPU、ROM、RAM及びI/Oを有し、ROMに格納されたプログラムにより以下の
(ア)測定の開始時にはすべてのすべての第1第1スイッチSa11〜Sa33をオンにするとともに、すべての第2スイッチSb11〜Sb33をオンし、すべての作用電極W11〜W33に同時に電圧を印加し、定常電流を得る。
Second switch Sb 11 to SB 33, like the first switch Sa 11 -SA 33, are provided as a semiconductor switch in the current sensing cell S 11 to S 33.
(Operation of micro control unit 74)
The micro control unit 74 has a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O (not shown). By the program stored in the ROM, all the first first switches Sa 11 to Sa 11 are started at the start of the following (a) measurement. together to turn 33, and turn on all of the second switch Sb 11 to SB 33, it is applied all at once voltage to the working electrode W 11 to W-33, to obtain a steady-state current.

(イ)各第1スイッチSa11〜Sa33のうちSa11をオンにし、オンにした第1スイッチSa11以外のSa12〜Sa33をオフにする指令信号を出力する。
(ウ)各第2スイッチSb11〜Sb33のうち、オンにした第1スイッチSa11に接続されている作用電極W11に接続されている第2スイッチSb11をオフとし、それ以外の第2スイッチSb12〜Sb33をオンとする指令信号を出力する。
(B) Turn on Sa 11 among the first switch Sa 11 ~Sa 33, and outputs a command signal for turning off the first switch Sa 11 other Sa 12 -SA 33 was turned on.
(C) among the second switch Sb 11 to SB 33, and the second switch Sb 11 connected to the working electrode W 11, which is connected to the first switch Sa 11 which is turned on and off, otherwise the A command signal for turning on the two switches Sb 12 to Sb 33 is output.

(エ)(イ)及び(ウ)の切換作動を、すべての第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33に対して順次実行する。
(測定時の作動)
電流検出時(測定時)には、電源端子86に印加される電圧を、測定対象物質の酸化還元反応が起こる範囲に保持することにより、半導体集積回路チップ72上の3×3のアレイ状に配置した作用電極W11〜W33の電位を、測定対象物質の酸化還元反応が起こる範囲に保持し、すべての作用電極W11〜W33で定常電流を流し続け、順番に電流を読み出して測定する。
(D) The switching operation of (a) and (c) is sequentially executed for all the first switches Sa 11 to Sa 33 and the second switches Sb 11 to Sb 33 .
(Operation during measurement)
At the time of current detection (during measurement), the voltage applied to the power supply terminal 86 is held in a range in which the oxidation-reduction reaction of the measurement target substance occurs, thereby forming a 3 × 3 array on the semiconductor integrated circuit chip 72. The potential of the arranged working electrodes W 11 to W 33 is kept within the range where the redox reaction of the substance to be measured occurs, and a steady current is kept flowing through all the working electrodes W 11 to W 33 , and the currents are read in order and measured. To do.

このとき、補助電極a11〜a33の電位は作用電極W11〜W33で起こる酸化還元反応と逆の反応が起こる電位に保持しておく。
上記マイクロコントロールユニット74の作動に示したように電流検出装置70を作動させることにより、測定の開始時には、すべての作用電極W11〜W33に同時に電圧を印加し、定常電流が得られてから各電極の電流を読み出していく。
At this time, the potentials of the auxiliary electrodes a 11 to a 33 are kept at a potential at which a reaction opposite to the oxidation-reduction reaction occurring at the working electrodes W 11 to W 33 occurs.
By operating the current detecting device 70 as shown in the operation of the micro control unit 74, at the start of the measurement, all at the same time the voltage to the working electrode W 11 to W-33 is applied, since the steady-state current is obtained The current of each electrode is read out.

そして、例えば、作用電極W11を読み出す際には、第1スイッチSa11、第2スイッチSb12〜Sb33を閉じ、第1スイッチSa12〜Sa33、第2スイッチSb11を開き、全ての作用電極W11〜W33の電位を保持し定常電流を流し続けたまま作用電極W11の電流を読み出す。 For example, when reading the working electrode W 11 , the first switch Sa 11 and the second switches Sb 12 to Sb 33 are closed, the first switches Sa 12 to Sa 33 and the second switch Sb 11 are opened, while continued to flow constant current holding the potential of the working electrode W 11 to W-33 reads the current of the working electrode W 11.

また、作用電極W33を読み出す際には、第1スイッチSa33、第2スイッチSb11〜Sb32を閉じ、第1スイッチSa11〜Sa32、第2スイッチSb33を開き、全ての作用電極W11〜W33の電位を保持し、定常電流を流し続けたまま作用電極W33の電流を読み出す。 When reading the working electrode W 33 , the first switch Sa 33 and the second switches Sb 11 to Sb 32 are closed, the first switches Sa 11 to Sa 32 and the second switch Sb 33 are opened, and all the working electrodes W are opened. 11 holding the potential of to W-33, reads the current of the working electrode W 33 while continuing to flow the constant current.

また、これは、必ずどちらか一方のスイッチをON状態にしておくことにより、全ての作用電極W11〜W33の電位を保持し、定常電流を流したまま第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33を切り替え、特定セルの読み出しを行う。 This also, by keeping the ON state one of the switches always either, holding the potential of all of the working electrode W 11 to W-33, the first switch Sa while flowing constant current 11 -SA 33 and The second switches Sb 11 to Sb 33 are switched to read a specific cell.

(シミュレーションによる効果の確認)
シミュレーションにより、図2に示す電極構造の効果を確認した。有限要素法解析ソフトウェアCOMSOL Multiphysicsを用いて、電極と溶液からなる空間において、時間依存の拡散方程式を解くことで、数値計算を行った。計算に用いた構造の概念図を図5に示す。
(Confirmation of effect by simulation)
The effect of the electrode structure shown in FIG. 2 was confirmed by simulation. Using the finite element method analysis software COMSOL Multiphysics, numerical calculation was performed by solving a time-dependent diffusion equation in a space composed of an electrode and a solution. A conceptual diagram of the structure used for the calculation is shown in FIG.

電流検出時における反応物の濃度分布の計算結果を図6に示す。図6(a)は補助電極a11〜a33がない従来の微小電極アレイの計算結果、図6(b)は、図2に示す微小電極アレイの計算結果を示す。 FIG. 6 shows the calculation result of the concentration distribution of the reactant when the current is detected. 6A shows the calculation result of the conventional microelectrode array without the auxiliary electrodes a 11 to a 33 , and FIG. 6B shows the calculation result of the microelectrode array shown in FIG.

図6の右側のスケールバーは反応物の濃度をmM単位で示している。拡散層の様子を比較すると、図6(a)の従来の微小電極アレイでは、近接する電極の拡散層が重なり、平面的拡散になっているが、図6(b)の微小電極アレイでは、補助電極a11〜a33により拡散層が電極近傍に閉じ込められていることが分かる。 The scale bar on the right side of FIG. 6 shows the concentration of the reactant in mM. Comparing the state of the diffusion layer, in the conventional microelectrode array of FIG. 6 (a), adjacent electrode diffusion layers overlap to form a planar diffusion, but in the microelectrode array of FIG. 6 (b), it can be seen that the diffusion layer is confined to the vicinity of the electrode by the auxiliary electrode a 11 ~a 33.

作用電極W11〜W33の電流量の時間変化の計算結果を図7に示す。図7において、実線が微小電極を単体で用いたとき、破線が従来の微小電極アレイ、一点鎖線が図2に示す微小電極アレイの計算結果をそれぞれ示す。 The calculation results of the current amount of time variation of the working electrode W 11 to W-33 shown in FIG. In FIG. 7, when the solid line is a single microelectrode, the broken line indicates the calculation result of the conventional microelectrode array and the alternate long and short dash line indicates the calculation result of the microelectrode array shown in FIG.

電流量を比較すると、従来の微小電極アレイでは定常電流が観測されず、電流量が減少していくが、図2に示す電極構造では、同じ電極密度でも定常電流が得られる。さらに、単体の微小電極と比較して電流量が増幅され、定常電流が得られるまでの時間が10分の1程度に短縮される。   When comparing the amount of current, the steady current is not observed in the conventional microelectrode array and the amount of current decreases. However, in the electrode structure shown in FIG. 2, the steady current can be obtained even with the same electrode density. Furthermore, the amount of current is amplified as compared with a single microelectrode, and the time until a steady current is obtained is shortened to about 1/10.

また、微小電極単体での電流量に対しての増幅率を計算し、図8では電極サイズとの関係を求めた。増幅率は微小電極を単体で用いたときの定常電流に対する、提案する電極構造における定常電流の値の比である。微小電極では、電流量が電極の面積ではなく長さに依存するため、長さの比によって特性が決まる。LWE:Lgap:LAEの比が同じであれば増幅率がほぼ同一となることを確認した。 Further, the amplification factor with respect to the amount of current in a single microelectrode was calculated, and the relationship with the electrode size was obtained in FIG. The amplification factor is the ratio of the value of the steady current in the proposed electrode structure to the steady current when the microelectrode is used alone. In the microelectrode, since the amount of current depends on the length rather than the area of the electrode, the characteristics are determined by the ratio of the lengths. L WE: L gap: if the ratio of L AE same amplification factor was confirmed to be a substantially identical.

また、図9では、LWEに対してLgapの割合が小さいほど増幅率が高まり、LAE/LWEが1.0以上で増幅率が飽和することを確認した。
(電流検出システム1の特徴)
以上説明した電流検出システム1では、図4に示すように1つの作用電極W11〜W33に対して2つのスイッチ(第1スイッチ及び第2スイッチ)を用いている。第1スイッチSa11〜Sa33は読み出し回路と接続し、第2スイッチSb11〜Sb33は外部から入力される作用電極W11〜W33電位に保持されている。
Further, in FIG. 9, as the increase amplification factor ratio of L gap is small relative to L WE, the amplification factor was confirmed to be saturated at L AE / L WE is 1.0 or more.
(Characteristics of current detection system 1)
In the current detection system 1 described above, as shown in FIG. 4, two switches (first switch and second switch) are used for one working electrode W 11 to W 33 . The first switches Sa 11 to Sa 33 are connected to the readout circuit, and the second switches Sb 11 to Sb 33 are held at the potentials of the working electrodes W 11 to W 33 inputted from the outside.

また、読み出し回路のオペアンプの非反転入力端子83も同じ電位に保持されている。これにより、電流を読み出さない電極も電位を保持し、電流を流し続けることが可能になる。   Further, the non-inverting input terminal 83 of the operational amplifier of the readout circuit is also held at the same potential. As a result, an electrode that does not read out current can also hold the potential and continue to pass current.

また、従来の微小電極アレイでは、電流を同時に測定すると定常電流が観測されず、電流量が減少していくが、電流検出システム1の微少電極アレイ構造(図2参照)では、微小電極を同じ密度で集積しても定常電流が得られる。   In the conventional microelectrode array, when the current is measured simultaneously, no steady current is observed and the amount of current decreases. However, in the microelectrode array structure of the current detection system 1 (see FIG. 2), the microelectrodes are the same. Steady current can be obtained even if accumulated at a density.

これは、既存の微小電極アレイでは、隣接する電極の拡散層が重なりあい、平面状の拡散層(図2参照)が形成され、線形拡散となるためである。一方、電流検出システム1の微小電極アレイ構造では、補助電極a11〜a33により拡散層の拡大が抑制され、球状の拡散層が形成される
そして、微小電極近傍(図2参照)に拡散層が閉じ込められることにより、従来の電極構造よりも局所的な測定が可能になる。したがって、従来の電極構造よりも密に電極を集積す
また、電流検出システム1のスイッチング回路(第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33)によって、すべての電極で定常電流を流したままスイッチを切り替え、特定セルを流れる電流を読み出すことができる。これにより、多点での電流検出型の電気化学測定を高速に行うことが可能になる。
This is because, in the existing microelectrode array, the diffusion layers of adjacent electrodes overlap to form a planar diffusion layer (see FIG. 2), resulting in linear diffusion. On the other hand, in the microelectrode array structure of the current detection system 1, assisted by the electrodes a 11 ~a 33 is suppressed expansion of the diffusion layer, and a spherical diffusion layer is formed, the diffusion layer in the vicinity of microelectrodes (see FIG. 2) By being confined, local measurement can be performed as compared with the conventional electrode structure. Therefore, the electrodes are integrated more densely than the conventional electrode structure. Further, the switching circuit (the first switches Sa 11 to Sa 33 and the second switches Sb 11 to Sb 33 ) of the current detection system 1 allows a steady current to be generated in all the electrodes. The switch can be switched with the current flowing, and the current flowing through the specific cell can be read out. As a result, it is possible to perform current detection type electrochemical measurement at multiple points at high speed.

また、電流検出セルS11〜S33に消費電力が大きく、占有面積の大きいオペアンプを用いることなく、電気化学測定回路を構成している。このため、低消費電力で高密度に集積化した電流検出セルS11〜S33で電気化学測定を行うことが可能になる。 Further, an electrochemical measurement circuit is configured without using an operational amplifier that consumes a large amount of power and occupies a large area in the current detection cells S 11 to S 33 . For this reason, it becomes possible to perform an electrochemical measurement with the current detection cells S 11 to S 33 that are integrated with low power consumption and high density.

さらに、補助電極a11〜a33は、作用電極W11〜W33とは逆の酸化還元反応が起こるように所定の電位に保持されている。したがって、図10に示すように、作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間でレドックスサイクルが生じる。 Further, the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is held at a predetermined potential as the opposite redox reaction occurs between the working electrode W 11 to W-33. Therefore, as shown in FIG. 10, a redox cycle occurs between the working electrodes W 11 to W 33 and the auxiliary electrodes a 11 to a 33 .

この、レドックスサイクルにより、同じ微小電極を単体で用いた場合と比較して電流量が増幅される。さらに、拡散層の形状が安定するまでの時間が短くなるため、定常電流が得られるまでの時間が10分の1程度に短縮される。   By this redox cycle, the amount of current is amplified as compared with the case where the same microelectrode is used alone. Further, since the time until the shape of the diffusion layer is stabilized is shortened, the time until the steady current is obtained is reduced to about 1/10.

また、電流検出装置70において、補助電極a11〜a33の幅は、作用電極W11〜W33の幅の1/2以上である。したがって、作用電極W11〜W33で生じる生成物を補助電極a11〜a33で十分に処理できるため、拡散層が作用電極W11〜W33近傍に留まり、各電極の拡散層が重なり合わない。したがって、反応物の定量をより正確なものとすることができる。 Further, the current detector 70, the width of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is 1/2 or more of the width of the working electrode W 11 to W-33. Therefore, it is possible to sufficiently handle the product produced at the working electrode W 11 to W-33 in the auxiliary electrode a 11 ~a 33, diffusion layer remains in the vicinity of the working electrode W 11 to W-33, overlapping the diffusion layer of each electrode Absent. Therefore, the quantitative determination of the reactant can be made more accurate.

さらに、作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間隔は、測定対象物質の拡散距離よりも小さい。したがって、レドックスサイクルが効率よく起こるため、作用電極W11〜W33の電流が増幅される。したがって、ノイズに影響されないため、反応物の定量をより正確なものとすることができる。 Moreover, the spacing of the auxiliary electrodes a 11 ~a 33 and the working electrode W 11 to W-33 is smaller than the diffusion length of the analyte. Accordingly, since the redox cycle occurs efficiently, the current of the working electrode W 11 to W-33 is amplified. Therefore, since it is not influenced by noise, the quantification of the reactant can be made more accurate.

また、作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間に電極面から測定対象物質の拡散距離以上の高さを持ったものがない。したがって、作用電極W11〜W33で生じた生成物を補助電極(a11〜a33)で十分に処理できるため、拡散層が作用電極W11〜W33近傍に留まり、各電極の拡散層が重なり合わない。したがって、反応物の定量をより正確なものとすることができる。 Further, there is no electrode between the working electrodes W 11 to W 33 and the auxiliary electrodes a 11 to a 33 having a height equal to or longer than the diffusion distance of the measurement target substance from the electrode surface. Therefore, it is possible to sufficiently handle the product formed at the working electrode W 11 to W-33 with auxiliary electrodes (a 11 ~a 33), the diffusion layer remains in the vicinity of the working electrode W 11 to W-33, the diffusion layers of each electrode Do not overlap. Therefore, the quantitative determination of the reactant can be made more accurate.

[第2実施形態]
次に、第1実施形態における電流検出装置70のスイッチング回路(第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33に電流バッファ回路b11〜b33を組み合わせた電流検出装置100を用いた第2実施形態について図11に基づき説明する。
[Second Embodiment]
Next, the switching circuit of the current detection device 70 according to the first embodiment (the current detection device 100 in which the current buffers circuit b 11 to b 33 are combined with the first switches Sa 11 to Sa 33 and the second switches Sb 11 to Sb 33 is used. The second embodiment used will be described with reference to FIG.

なお、第2実施形態では、電流検出装置100以外は、第1実施形態における電流検出システム1の構成と同じであるため、同じ構成品には同じ符号を付して、その説明を省略する。   In addition, in 2nd Embodiment, since it is the same as that of the structure of the electric current detection system 1 in 1st Embodiment except the electric current detection apparatus 100, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and the description is abbreviate | omitted.

第2実施形態における電流検出装置100では、図11に示すように、第1実施形態における電流検出装置70の作用電極W11〜W33とスイッチング回路(第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33)と間に、電流バッファ回路b11〜b33が挿入されている。 In the current detection device 100 in the second embodiment, as shown in FIG. 11, the working electrodes W 11 to W 33 and the switching circuit (the first switches Sa 11 to Sa 33 and the second switch) of the current detection device 70 in the first embodiment are used. Current buffer circuits b 11 to b 33 are inserted between the switches Sb 11 to Sb 33 ).

つまり、作用電極W11〜W33は、図11に示す電流バッファ回路b11〜b33を介して、スイッチング回路と接続されている。
この、電流バッファ回路b11〜b33は電極に流れている電流を複製し、複製した電流を読み出しに用いることで、測定系に及ぼす影響を低減する。この電流バッファ回路b11〜b33は、図12(a)に示すように、図12(b)に示す電流バッファ回路b11〜b33と図12(c)に示すOTA120(Operational Transconductance Amplifier)の組み合わせで構成されている。
In other words, the working electrode W 11 to W-33, via a current buffer circuit b 11 ~b 33 shown in FIG. 11, and is connected to the switching circuit.
The current buffer circuits b 11 to b 33 duplicate the current flowing through the electrodes and use the duplicated current for reading, thereby reducing the influence on the measurement system. As shown in FIG. 12A, the current buffer circuits b 11 to b 33 include the current buffer circuits b 11 to b 33 shown in FIG. 12B and the OTA 120 (Operational Transducer Amplifier) shown in FIG. It is composed of a combination of

図12(b)に示す電流バッファ回路b11〜b33は、電流を複製するカレントミラー回路と、電極の電位を保持するソースフォロワ回路という二つの構造からなる。そして、両方向の電流を流すことができるように、これらが上下対称に接続されている。 The current buffer circuits b 11 to b 33 shown in FIG. 12B have two structures: a current mirror circuit that replicates the current and a source follower circuit that holds the potential of the electrode. These are connected symmetrically so that currents in both directions can flow.

電流バッファ回路b11〜b33の入力端子130から電流が流れ出ていく際には上側の回路が動作し、下側の回路には電流が流れなくなる。また、電流バッファ回路b11〜b33の入力端子130に電流が流れ込む際には下側の回路が動作し、上側の回路には電流が流れなくなる。回路の特性は、電極の電位は接地電位に保持され、入力電流と出力電流が一致する。 When current flows out from the input terminals 130 of the current buffer circuits b 11 to b 33, the upper circuit operates and no current flows in the lower circuit. Further, when a current flows into the input terminals 130 of the current buffer circuits b 11 to b 33 , the lower circuit operates and no current flows through the upper circuit. As for the circuit characteristics, the electrode potential is held at the ground potential, and the input current and the output current match.

図12(b)に示す電流バッファ回路b11〜b33には、正常に動作する状態と、電流が流れないハイインピーダンス状態という2つの安定状態が存在する。
電流バッファ回路b11〜b33には、ハイインピーダンス状態となることを防ぐため、図12(a)に示すように、スタートアップ回路として図12(c)に示すOTA120を用いている。
In the current buffer circuits b 11 to b 33 shown in FIG. 12B, there are two stable states, a state where the current buffer circuits b 11 to b 33 operate normally and a high impedance state where no current flows.
In order to prevent the current buffer circuits b 11 to b 33 from entering a high impedance state, an OTA 120 shown in FIG. 12C is used as a startup circuit as shown in FIG.

OTA120は入力電圧の差を電流に変換する回路である。図12(a)に示すようにOTA120を接続することで、電極電位が接地電位からずれたとき、強制的に電流バッファ回路b11〜b33に電流を流し込むことで回路を動作状態に遷移させることができる。一旦、電流バッファ回路b11〜b33が動作状態になれば、電流バッファ回路b11〜b33が電極電位を接地電位に保持し、電流が流れ、OTA120は動作を停止する。 The OTA 120 is a circuit that converts a difference between input voltages into a current. By connecting the OTA 120 as shown in FIG. 12A, when the electrode potential deviates from the ground potential, the circuit is changed to the operating state by forcing current to flow into the current buffer circuits b 11 to b 33 . be able to. Once the current buffer circuits b 11 to b 33 are in the operating state, the current buffer circuits b 11 to b 33 hold the electrode potential at the ground potential, current flows, and the OTA 120 stops operating.

そして、例えば、w11,b11,Sa11,Sb11を1つの電流検出セルS11とし、このセルを図2のようにアレイ状に配置する。各補助電極a11〜a33は配線で接続し、1つの配線ですべての補助電極a11〜a33に電位を与えられるようにする。 For example, w 11 , b 11 , Sa 11 , Sb 11 are set as one current detection cell S 11 , and the cells are arranged in an array as shown in FIG. The auxiliary electrodes a 11 to a 33 are connected by wiring so that potentials can be applied to all the auxiliary electrodes a 11 to a 33 with one wiring.

この回路では、各電流検出セルS11〜S33にオペアンプを用いていないため、消費電力、占有面積が小さく、集積化に適している。
(電流バッファ回路を設ける効果)
作用電極W11〜W33と第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33とを電流バッファ回路b11〜b33を用いずに直接接続すると、測定時の状況によっては、第1スイッチSa11〜Sa33及び第2スイッチSb11〜Sb33の替え時に電極の電位が変動する場合があるが、電流バッファ回路b11〜b33を用いるによって、スイッチの切り替えによる電位の変動が電極に伝わることを防ぐことが可能になる。
In this circuit, since no operational amplifier is used for each of the current detection cells S 11 to S 33 , the power consumption and the occupied area are small and suitable for integration.
(Effect of providing a current buffer circuit)
Connecting directly without using the working electrode W 11 to W-33 and the first switch Sa 11 -SA 33 and the second switch Sb 11 to SB 33 and the current buffer circuit b 11 ~b 33, depending on the circumstances at the time of measurement, Although the potential of the electrode at the time instead of the first switch Sa 11 -SA 33 and the second switch Sb 11 to SB 33 is can vary, depending on the use of current buffer circuits b 11 ~b 33, change in the potential due to switching of the switch Can be prevented from being transmitted to the electrode.

したがって、どのような状況下においてもより正確に測定対象物の電流測定を行うことができるようになる。
電流バッファ回路b11〜b33は、作用電極W11〜W33の電流を複製するカレントミラー回路と作用電極W11〜W33の電流を所定の電位に保持するソースフォロワ回路と、を備えているため、電流検出セルS11〜S33内に、消費電力が大きく、占有面積の大きいオペアンプを用いることなく、電流バッファ回路b11〜b33を実現できるため、消費電力を低く、占有面積を小さくすることができる。
Therefore, the current of the measurement object can be measured more accurately under any circumstances.
Current buffer circuit b 11 ~b 33 is provided with a source follower circuit for holding current of the working electrode W 11 acts as a current mirror circuit for duplicating the current to W-33 electrode W 11 to W-33 to a predetermined potential, the Therefore, since the current buffer circuits b 11 to b 33 can be realized without using an operational amplifier having a large power consumption and a large occupied area in the current detection cells S 11 to S 33 , the power consumption is reduced and the occupied area is reduced. Can be small.

(その他の実施形態)
本発明の実施の形態は、上記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can take various forms as long as they belong to the technical scope of the present invention.

(a)電流の読み出し回路では図13に示すように、図4及び図11の増幅器80において、抵抗84を用いる代わりに、スイッチ112とキャパシタ114を用いて電流を電圧に変換してもよい。   (A) In the current read circuit, as shown in FIG. 13, in the amplifier 80 shown in FIGS. 4 and 11, the current may be converted into a voltage using the switch 112 and the capacitor 114 instead of using the resistor 84.

(b)CMOS回路は標準CMOSプロセスで作成することが望ましいが、用途に応じて任意に選択すれば良い。テクノロジも用途に応じて任意に選択すれば良い。
作用電極W11〜W33及び補助電極a11〜a33(以下、単に電極とも呼ぶ)の作成方法はCMOSチップの最上層の金属配線層76をチップ表面に露出させることで作成する。溶液と接触した金属配線層76が溶解することを防ぎ、電極に機能性を持たせるため、メタルの上に別の金属を載せても良い。電極はチップ上に作成することを想定しているが、別途に作成した電極を集積回路と接続しても良い。
(B) The CMOS circuit is desirably created by a standard CMOS process, but may be arbitrarily selected according to the application. The technology may be arbitrarily selected according to the application.
The working electrodes W 11 to W 33 and auxiliary electrodes a 11 to a 33 (hereinafter also simply referred to as electrodes) are produced by exposing the uppermost metal wiring layer 76 of the CMOS chip to the chip surface. Another metal may be placed on the metal in order to prevent the metal wiring layer 76 in contact with the solution from being dissolved and to give the electrode functionality. Although it is assumed that the electrodes are formed on a chip, separately prepared electrodes may be connected to the integrated circuit.

(c)各電極の材料は導電性を持っていれば種類は特に制限されず、用途に応じて任意に選択すれば良い。例として、電気伝導性材料や、金属と絶縁体の中間に当たる半導体材料等が挙げられる。   (C) If the material of each electrode has electroconductivity, a kind will not be restrict | limited especially, What is necessary is just to select arbitrarily according to a use. Examples include an electrically conductive material and a semiconductor material that falls between a metal and an insulator.

電気伝導性材料の具体例としては、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、パラジウム、クロム、ステンレス等の金属類;金、銀、白金等の貴金属類;また、金属に限らず、グラファイト、グラッシーカーボン、パイロリティックグラファイト、導電性カーボンペースト、導電性ダイヤモンド等の炭素系材料;導電性高分子材料などが挙げられる。   Specific examples of the electrically conductive material include metals such as copper, nickel, aluminum, titanium, palladium, chromium, and stainless steel; noble metals such as gold, silver, and platinum; not limited to metals, graphite, glassy carbon, Examples include carbonaceous materials such as pyrolytic graphite, conductive carbon paste, and conductive diamond; and conductive polymer materials.

半導体材料としては、p型及びn型のSi、Ge、ダイヤモンド、GaAs、GaN、InP、GaP、CdS、ZnO、TiO2、SiC、ITO、In23、SnO2、CdO、Cd2SnO4などが挙げられる。なお、これらの材料は何れか一種を単独で用いても良く、二種以上を任意の組み合わせで用いても良い。 As the semiconductor material, p-type and n-type Si, Ge, diamond, GaAs, GaN, InP, GaP , CdS, ZnO, TiO 2, SiC, ITO, In 2 O 3, SnO 2, CdO, Cd 2 SnO 4 Etc. Any one of these materials may be used alone, or two or more of these materials may be used in any combination.

(d)作用電極W11〜W33、補助電極a11〜a33の間の絶縁体や基板の材料も特に制限されず、用途に応じて任意に選択すれば良い。
例としては、無機固体絶縁材料(マイカ、石綿、石綿紙、電気絶縁セメント板)、絶縁磁器類(長石質磁器、アルミナ磁器、ベリリア磁器、ステアタイト磁器、フォルステライト磁器、ウォラストナイト磁器、マグネシア磁器、エライト磁器、ジルコン磁器)、窒化ホウ素、窒化ケイ素、誘電磁器(チタン磁器、チタン酸バリウム磁器)、ガラス(石英ガラス、高ケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、ケイ酸塩ガラス)、ガラスセラミックス(デヒドロセラミックス)、ガラス繊維(ガラスクロス、ガラステープ、蓄電池用ガラスマット)、ほうろう、玄武岩、イオウ(ポルトランドセメント)、繊維質材料、木材、紙電力ケーブル用絶縁、熱可塑性樹脂系材料、ポリエチレン(PE)、ポリエチレン系共重合体、難燃性ポリエチレン、ポリプロピレン(PP)、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニル(PVC)ポリスチレン(PS)、AS樹脂、ABS樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネイト(PC)、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、フッ化エチレン・プロピレン共重合体(テフロン(登録商標)FEP)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、ポリ塩化三フッ化エチレン、ポリフッ化ビニデン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド樹脂、アクリル酸系樹脂、アクリル樹脂、メタアクリル樹脂、ポリアクリルニトリル樹脂、アセタール樹脂、熱効果性樹脂(網状高分子)、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、アルキド樹脂、天然繊維質材料、ゴム系材料、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム、ポリブデン、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、シリコーンゴム、フッ化ゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム、熱可塑性ゴム、架橋ポリエチレン(化学架橋ポリエチレン、放射線架橋ポリエチレン、シラン架橋ポリエチレン)等が挙げられる。
(D) The insulator and the material of the substrate between the working electrodes W11 to W33 and the auxiliary electrodes a11 to a33 are not particularly limited, and may be arbitrarily selected according to the application.
Examples include inorganic solid insulating materials (mica, asbestos, asbestos paper, electrical insulating cement board), insulating porcelains (feldspar porcelain, alumina porcelain, beryllia porcelain, steatite porcelain, forsterite porcelain, wollastonite porcelain, magnesia Porcelain, Elite porcelain, zircon porcelain), boron nitride, silicon nitride, dielectric porcelain (titanium porcelain, barium titanate porcelain), glass (quartz glass, high silicate glass, soda lime glass, lead glass, borosilicate glass, aluminosilicate Glass, silicate glass), glass ceramics (dehydroceramics), glass fibers (glass cloth, glass tape, storage battery glass mat), enamel, basalt, sulfur (Portland cement), fiber materials, wood, paper power cables Insulation, thermoplastic resin material, polyethylene (PE , Polyethylene copolymer, flame retardant polyethylene, polypropylene (PP), vinyl chloride resin, polyvinyl chloride (PVC) polystyrene (PS), AS resin, ABS resin, methacrylic resin, polycarbonate (PC), polyamide resin, polyester Resin, fluororesin, polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorinated ethylene / propylene copolymer (Teflon (registered trademark) FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorinated trifluoroethylene , Polyvinylidene fluoride, polyethylene terephthalate (PET), polyimide resin, acrylic resin, acrylic resin, methacrylic resin, polyacrylonitrile resin, acetal resin, thermal effect resin (network polymer), epoxy resin, unsaturated polyester Resin, silicone resin, Nord resin, urea resin, melanin resin, alkyd resin, natural fiber material, rubber material, natural rubber, styrene butadiene rubber (SBR), butyl rubber, polybutene, ethylene propylene rubber, chloroprene rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, silicone rubber Fluorinated rubber, nitrile rubber, urethane rubber, thermoplastic rubber, crosslinked polyethylene (chemically crosslinked polyethylene, radiation crosslinked polyethylene, silane crosslinked polyethylene) and the like.

(d)作用電極W11〜W33の形状は図2に示した正方形に制限されるものではなく、長方形や円形など、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、任意の形状をとることが可能である。また、電極ごとに異なる形状をしていても良い。 (D) The shape of the working electrodes W 11 to W 33 is not limited to the square shown in FIG. 2, but may be any shape such as a rectangle or a circle without departing from the spirit of the present invention. It is. Further, each electrode may have a different shape.

(e)補助電極a11〜a33も本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて任意の形状をとることが可能である。電極ごとに異なる形状をしていても良い。また、図14のように表面ですべての補助電極a11〜a33を接続しても良い。 (E) an auxiliary electrode a 11 ~a 33 also may take any shape without departing from the spirit of the present invention. Each electrode may have a different shape. It is also possible to connect all of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 at the surface as shown in FIG. 14.

(f)作用電極W11〜W33の大きさは、測定対象物質の拡散距離(数十μm角)以下が望ましい。一般に微小電極と呼ばれる電極は特徴長さが数十μm以下であり、それ以上の大きさになると微小電極としての特性を示さなくなる。 (F) The size of the working electrodes W 11 to W 33 is preferably equal to or less than the diffusion distance (several tens μm square) of the measurement target substance. In general, an electrode called a microelectrode has a characteristic length of several tens of μm or less, and when it is larger than that, it does not exhibit characteristics as a microelectrode.

(g)作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間隔は、測定対象物質の拡散距離よりも十分短い(数μm以下)ことが望ましい。レドックスサイクルの効率を高め、電流の増幅効果を高めるため、作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間隔は小さいほど良い。しかし、間隔が小さすぎると、十分な電気的絶縁性の確保や量産プロセスにおけるハンドリングが難しくなる傾向がある。 (G) distance between the working electrode W 11 to W-33 and the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is sufficiently shorter than the diffusion length of the analyte (a few μm or less) is desirable. Increase the efficiency of the redox cycle, to enhance the amplification effect of the current, the distance between the working electrode W 11 to W-33 auxiliary electrode a 11 ~a 33 is preferably as small. However, if the interval is too small, securing sufficient electrical insulation and handling in a mass production process tends to be difficult.

(h)補助電極a11〜a33の幅は、正方形の作用電極W11〜W33の一辺の長さの半分あれば十分である。一般に補助電極a11〜a33の幅が大きいほど、作用電極W11〜W33で生じた生成物の処理能力が高くなる。補助電極a11〜a33の幅が作用電極W11〜W33の一辺の長さの半分よりも小さくなると、作用電極W11〜W33で生じた生成物を反応物に戻す能力が落ちるので、拡散層の拡大を抑えることができなくなる。 (H) width of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is sufficient half the length of one side of the square of the working electrode W 11 to W-33. Generally as the width of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is large, the processing capacity of the products produced at the working electrode W 11 to W-33 is increased. If the width of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is smaller than half the length of one side of the working electrode W 11 to W-33, since fall ability to return the product generated at the working electrode W 11 to W-33 to the reaction The expansion of the diffusion layer cannot be suppressed.

また、補助電極a11〜a33の幅を作用電極W11〜W33の一辺の長さの半分より大きくしても生成物の処理能力は変わらない。
(i)作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間は平坦である方が良い。図15のように作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a3311の間に段差116がある場合には、段差116は小さい方が好ましい。作用電極W11〜W33と補助電極a11〜a33の間に壁が存在する場合、壁が高くなるほど電流の増幅効果が低下する。
The processing capacity of the auxiliary electrode a 11 ~a 33 width working electrode W 11 be larger than half of the length of one side of the to W-33 product does not change.
(I) between the working electrode W 11 to W-33 and the auxiliary electrode a 11 ~a 33 is better is flat. When there is a step 116 between the working electrodes W 11 to W 33 and the auxiliary electrodes a 11 to a 33 a 11 as shown in FIG. 15, the step 116 is preferably smaller. If the wall is present between the working electrode W 11 to W-33 and the auxiliary electrode a 11 ~a 33, it amplifies the effect of the current as the wall increases is reduced.

これは段差116により、レドックスサイクルの効率が低下するためである。なお、測定対象物質の拡散距離よりも十分に短い(数μm程度)段差があったとしても、拡散層の広がりを抑える効果は大きく低下することはないため、定常電流が得られるまでの時間が長くなることはない。   This is because the step 116 reduces the redox cycle efficiency. Even if there is a step that is sufficiently shorter (approximately several μm) than the diffusion distance of the substance to be measured, the effect of suppressing the spread of the diffusion layer does not greatly decrease, so the time until a steady current is obtained. It won't be long.

(j)電極の個数は特に制限されない。1個でも複数個でも良い。但し、本発明では複数の電極を用いることを前提としている。
(k)電極を複数用いる場合の配置も任意である。電極は集積して設けることが好ましい。集積の形態は特に制限されないが、例として、複数の行と列とを形成するように並べた、いわゆるアレイ型や、多数の電極を一列に並べたキャピラリーアレイ型が挙げられる。
(J) The number of electrodes is not particularly limited. One or more may be sufficient. However, in the present invention, it is assumed that a plurality of electrodes are used.
(K) Arrangement in the case of using a plurality of electrodes is also arbitrary. The electrodes are preferably provided in an integrated manner. The form of integration is not particularly limited, but examples include a so-called array type in which a plurality of rows and columns are arranged, and a capillary array type in which a large number of electrodes are arranged in a row.

図2に示す電極アレイには、9個の電極が3列×3行のアレイ状に集積して形成されている。
(l)本発明の電極は、個々の作用電極W11〜W33に電圧を印加できるように構成される。本発明では電流バッファ回路b11〜b33とスイッチング回路を用いて電圧を印加しているが、電圧を印加する方式は特に制限されない。
In the electrode array shown in FIG. 2, nine electrodes are formed in an array of 3 columns × 3 rows.
(L) the electrode of the present invention is configured so as to apply a voltage to each of the working electrode W 11 to W-33. In the present invention, the voltage is applied using the current buffer circuits b 11 to b 33 and the switching circuit, but the method of applying the voltage is not particularly limited.

(m)電極のパターンを形成する手法も特に制限されない。複数の作用電極W11〜W33をミクロンまたはサブミクロンオーダーの微小間隙によって絶縁して作製する方法としては、フォトリソグラフィとドライエッチング法、あるいはリフトオフ法、あるいはイオンミリング法などの微細加工技術を組み合わせて基板上に作製する方法がある。 (M) The method of forming the electrode pattern is not particularly limited. As a method for producing a plurality of working electrodes W 11 to W 33 by insulating them with micro gaps of micron or sub-micron order, a combination of photolithography and dry etching method, lift-off method or ion milling method is combined. There is a method of manufacturing on a substrate.

(n)各作用電極W11〜W33を取り囲む補助電極a11〜a33には、同一の電位を印加することが望ましい。このため、補助電極a11〜a33同士を電気的に接続しても良い。また、各補助電極a11〜a33に配線を設け、別々の電位を印加できるようにしても良い。 The auxiliary electrode a 11 ~a 33 surrounding the (n) each working electrode W 11 to W-33, it is desirable to apply the same potential. Therefore, the auxiliary electrode a 11 ~a 33 together may be electrically connected to. Further, the wiring to the storage electrodes a 11 ~a 33 may be provided to allow application of a separate potential.

(o)必ずしも補助電極a11〜a33に流れる電流を測定できるようにする必要はない。任意で補助電極a11〜a33に流れる電流を測定しても良い。
(p)参照電極20、対向電極30の材料は特に制限されず、用途に応じて任意に選択すれば良い。また、CMOSチップ上に作成するなど、作用電極W11〜W33と同じ基板上に作成しても良い。3電極系の動作を実現するためにポテンショスタットを用いても良い。
(O) does not necessarily need to be able to measure the current flowing to the auxiliary electrode a 11 ~a 33. Optionally may be the measurement of the current through the auxiliary electrode a 11 ~a 33.
(P) The materials of the reference electrode 20 and the counter electrode 30 are not particularly limited, and may be arbitrarily selected depending on the application. Further, such created on a CMOS chip, it may be created on the same substrate as the working electrode W 11 to W-33. A potentiostat may be used to realize the operation of the three-electrode system.

(q)測定に用いる溶媒は特に制限されず、水でも非水溶媒でも構わない。また、固体電解質を用いても良い。
(r)オペアンプ40の反転入力端子44に参照電極20を、出力端子に対向電極30を接続することで、参照電極20と対向電極30の系を構成しても良い。オペアンプ40は集積回路チップ上のものを用いても良い。また、参照電極20に流れる電流が小さくなるため、用いるオペアンプ40は入力電流がpAオーダー以下のものが望ましい。
(Q) The solvent used for the measurement is not particularly limited, and may be water or a non-aqueous solvent. A solid electrolyte may be used.
(R) The reference electrode 20 and the counter electrode 30 may be configured by connecting the reference electrode 20 to the inverting input terminal 44 of the operational amplifier 40 and the counter electrode 30 to the output terminal. The operational amplifier 40 may be one on an integrated circuit chip. Further, since the current flowing through the reference electrode 20 becomes small, the operational amplifier 40 to be used preferably has an input current of the order of pA or less.

本発明のスイッチング回路と電流バッファ回路b11〜b33を用いることで、多点での電流検出型の電気化学測定を高速に行うことが可能になる。
従来の微小電極アレイでは定常電流が観測されず、電流量が減少していくが、提案した電極構造では、微小電極を同じ密度で集積しても定常電流が得られる。そして、単体で用いた同じサイズの微小電極と比較して電流量が増幅され、定常電流が得られるまでの時間が10分の1程度に短縮される。
By using the switching circuit of the present invention and the current buffer circuits b 11 to b 33 , it becomes possible to perform a current detection type electrochemical measurement at multiple points at high speed.
In the conventional microelectrode array, the steady current is not observed and the amount of current decreases. However, in the proposed electrode structure, the steady current can be obtained even if the microelectrodes are integrated at the same density. The amount of current is amplified as compared with a microelectrode of the same size used alone, and the time until a steady current is obtained is reduced to about 1/10.

さらに、微小電極近傍に拡散層が閉じ込められることにより、従来の電極構造よりも局所的な測定が可能になるため、限られたスペースにより多くの電極を集積することが可能になる。また、本発明の微小電極アレイ構造は従来の電流検出に用いられる微小電極アレイのプロセスに大幅な変更を加えることなく実現可能である。   Furthermore, since the diffusion layer is confined in the vicinity of the microelectrode, local measurement can be performed as compared with the conventional electrode structure, so that a larger number of electrodes can be integrated in a limited space. In addition, the microelectrode array structure of the present invention can be realized without significant changes in the process of the microelectrode array used for conventional current detection.

よって、電流検出型の電気化学測定を行う各種の分野、たとえば体液中の生理活性物質の測定、臨床検査、食品などの製造工程管理、水中の環境計測において、より高速な測定が可能になり、応用が可能である。   Therefore, in various fields that perform current detection type electrochemical measurement, for example, measurement of physiologically active substances in body fluids, clinical examination, manufacturing process management of foods, etc. Application is possible.

1…電流検出システム、10…溶液セル、12…測定溶液、20…参照電極、30…対向電極、40…オペアンプ、42…非反転入力端子、44…反転入力端子、46…出力端子、50…電圧源、60…パーソナルコンピュータ、70…電流検出装置、72…半導体集積回路チップ、74…マイクロコントロールユニット、76…金属配線層、78…保護膜、80…増幅器、81…反転入力端子、82…オペアンプ、83…非反転入力端子、84…抵抗、86…電源端子、100…電流検出装置、112…スイッチ、114…キャパシタ、116…段差、120…OTA、130…入力端子、S11〜S33…電流検出セル、Sa11〜Sa33…第1スイッチ、Sb11〜Sb33…第2スイッチ、W11〜W33…作用電極、a11〜a33…補助電極、b11〜b33…電流バッファ回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Current detection system, 10 ... Solution cell, 12 ... Measuring solution, 20 ... Reference electrode, 30 ... Counter electrode, 40 ... Operational amplifier, 42 ... Non-inverting input terminal, 44 ... Inverting input terminal, 46 ... Output terminal, 50 ... Voltage source 60 ... Personal computer 70 ... Current detection device 72 ... Semiconductor integrated circuit chip 74 ... Micro control unit 76 ... Metal wiring layer 78 ... Protective film 80 ... Amplifier 81 ... Inverting input terminal 82 ... op, 83 ... non-inverting input terminal, 84 ... resistors, 86 ... power supply terminal, 100 ... current detection unit, 112 ... switch, 114 ... capacitor, 116 ... stepped, 120 ... OTA, 130 ... input terminal, S 11 to S 33 ... current detection cell, Sa 11 ~Sa 33 ... first switch, Sb 11 ~Sb 33 ... second switch, W 11 to W-33 ... working electrode, a 11 ~a 33 ... auxiliary electrode , B 11 ~b 33 ... current buffer circuit.

Claims (7)

半導体基板上に複数設けられ、作用電極及び前記作用電極の周囲を囲むとともに、前記作用電極とは逆の酸化還元反応が起こる電位に保持された、補助電極を有する電流検出セルと、
前記作用電極に接続され、前記作用電極から出力される電流を検出し、前記作用電極を所定の電位となるように制御する電流検出手段と、
前記作用電極に接続され、前記作用電極を前記所定の電位に保持する電位保持手段と、
前記電流検出手段と前記複数の電流検出セルの各作用電極との間に接続された第1スイッチと、
前記電位保持手段と前記複数の電流検出セルの各作用電極との間に接続された第2スイッチと、
前記各第1スイッチのうちいずれか1つをオンにし、該オンにした第1スイッチ以外をオフにすると共に、前記各第2スイッチのうち、前記オンにした第1スイッチに接続されている前記作用電極に接続されている前記第2スイッチをオフとし、それ以外の第2スイッチをオンとする切換作動を、すべての第1スイッチ及び前記第2スイッチに対して順次実行する制御手段と、
を備えたことを特徴とする電流検出装置。
A plurality of current detection cells provided on a semiconductor substrate, surrounding the working electrode and the periphery of the working electrode, and having an auxiliary electrode held at a potential at which a redox reaction opposite to the working electrode occurs;
Current detecting means connected to the working electrode , detecting a current output from the working electrode, and controlling the working electrode to have a predetermined potential ;
A potential holding means connected to the working electrode and holding the working electrode at the predetermined potential;
A first switch connected between the current detection means and each working electrode of the plurality of current detection cells;
A second switch connected between the potential holding means and each working electrode of the plurality of current detection cells;
One of the first switches is turned on, and the other switches other than the turned on first switch are turned off, and the second switch is connected to the turned on first switch. Control means for sequentially performing a switching operation for turning off the second switch connected to the working electrode and turning on the other second switches for all the first switches and the second switches;
A current detection device comprising:
請求項1の電流検出装置において、
前記電流検出手段は、
反転端子及び非反転入力端子を有する増幅器を有し、
前記反転端子は、前記第1スイッチを介して、前記作用電極に接続され、
前記非反転端子は、前記第2スイッチを介して前記作用電極に接続されていることを特徴とする電流検出装置。
The current detection device according to claim 1,
The current detection means includes
An amplifier having an inverting terminal and a non-inverting input terminal;
The inverting terminal is connected to the working electrode via the first switch;
The non-inversion terminal is connected to the working electrode through the second switch.
請求項1又は請求項2に記載の電流検出装置において、
前記作用電極に接続される入力端子と、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチに接続される出力端子と、を有し、前記入力端子に入力される前記作用電極の出力電流を保持しつつ、前記作用電極の電位を所定の電位に保持する電流バッファ回路を前記電流検出セル内に備えたことを特徴とする電流検出装置。
In the current detection device according to claim 1 or 2,
An input terminal connected to the working electrode, and an output terminal connected to the first switch and the second switch, while holding the output current of the working electrode input to the input terminal, A current detection device comprising a current buffer circuit in the current detection cell for holding the potential of the working electrode at a predetermined potential.
請求項3に記載の電流検出装置において、
前記電流バッファ回路は、
前記作用電極の電流を複製するカレントミラー回路と
前記作用電極の電流を所定の電位に保持するソースフォロワ回路と、
を備えたことを特徴とする電流検出装置。
The current detection device according to claim 3,
The current buffer circuit includes:
A current mirror circuit that replicates the current of the working electrode; a source follower circuit that maintains the current of the working electrode at a predetermined potential;
A current detection device comprising:
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電流検出装置において、
前記補助電極の幅は前記作用電極の幅の1/2以上であることを特徴とする電流検出装置。
In the electric current detection apparatus of any one of Claims 1-4,
The width of the auxiliary electrode is ½ or more of the width of the working electrode.
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電流検出装置において、
前記作用電極と前記補助電極の間隔は、測定対象物質の拡散距離よりも小さいことを特徴とする電流検出装置。
In the electric current detection apparatus of any one of Claims 1-5,
The current detection apparatus is characterized in that a distance between the working electrode and the auxiliary electrode is smaller than a diffusion distance of the substance to be measured.
請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電流検出装置において、
前記作用電極と前記補助電極の間に電極面から測定対象物質の拡散距離以上の高さを持ったものがないことを特徴とする電流検出装置。
In the electric current detection apparatus of any one of Claims 1-6,
There is no current detection device between the working electrode and the auxiliary electrode having a height greater than the diffusion distance of the substance to be measured from the electrode surface.
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